r ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓ ΑΣΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ..... ΝΙΚΟΛΑΟΣ Σ. ΔΡΑΓΑΝΗΣ Επιβλέπων Καθηγητής: Καμινάρης Σταύρος ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2011
ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛ ΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗ ΜΑΤΟΣ.. ~ CΙ\JΙ'ορολ10,;.ίι nλc=σο. Ρliβιτml\ς Φόρnσπς,. ---~ nίvον.οςfι\i vχ.ου -- ~ - ΝΙΚΟΛΑΟΣΣ.ΔΡΑΓΑΝΗΣ Επιβλέπων Καθηγητής: Καμινάρης Σταύρος ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2011 1 Τ Ε πr:.ι 1 ΑΙ Α I
«ΛΕ ΙΤΟ Υ Ρ ΓΙΑ Κ Α Ι ΤΕΧ ΝΙΚΗ ΜΕΛ ΕΤ Η ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟ Σ» ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή της πτυχιακής μου εργασίας κ. Σταύρο Καμινάρη για την αμέριστη συμπαράσταση, βοήθεια καθοδήγηση την οποία μου πρόσφερε κ ατά τη διάρκ ε ια εκπόνησης τ ης Πτυχιακής μου εργασίας. Επιπροσθέτως, ευχαριστώ πολύ την οικογένεια μου για τη συμπαράσταση και την υποστήρι ξ η σε όλη τ η δ ιάρκ ε ι α των σπουδών μου. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙ ΚΟΛΑΟ Σ 1
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» «ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΕΝΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Πίνακας περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1.................... 4 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ... 4 1.2 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΤΟΥ ΚΙΟΤΟ... 5 2. Τη διαπραγμάτευση-εμπορία δικαιωμάτων εκπομπών,... 6 3. Το πρόγραμμα από κοινού, και... 6 4. Το μηχανισμό καθαρής ανάπτυξης... 6 1.3 Εξέλιξη Θεσμικού Πλαισίου στην Ελλάδα... 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2........ 8 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ... 8 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 8 2.2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ... 14 2.3 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ......................... 14 2.4 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ... 17 2.5 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ...... 18 D Ρεύμα Βραχυκύκλωσης Isc...... 21 D Τάση ανοιχτού κουκλώματος V 0 c... 21 D Σημείο Μέγιστης Ισχύος Ρ mρ... 22 D Συντελεστής Πλήρωσης FF...... 22 D Ένταση Ακτινοβολίας... 22 D Θερμοκρασία............... 23 D Ισχύς αιχμής Wp ή Ρ 0.......................... 24 2.6 ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ... 25 2.7 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ... 25 2.8 ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΏΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ... 27 2.9 Η ΗΛΙΑΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΗΜΕΡΑ... 30 2.10 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ................. 37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3............. 40 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ................... 40 3.1 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΕΙΔΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΏΝ... 40 3.2 ΣΧΕΔΙΑΣΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΏΝ... 40 3.2.lΤύποι συσσωρευτών.............. 42 ΔΡΑΓΑΝΗ Σ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 2
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΌΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» 3.3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΤΩΝ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ.........43 3.3.1 Χωρητικότητα.................... 43 3.3.2 Εκφόρτιση και επιτρεπόμενο βάθος εκφόρτισης...44 3.3.3 Αυτοεκφόρτιση......... 45 3.3.4 Φόρτιση...... 45 3.3.5 Συντελεστής φόρτισης και απόδοση ισχύος.............45 3.4 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ.........46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4........ 47 ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ..............47 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 47 4.2 ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ....48 4.2.1 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ DC/AC... 50 D Τύποι αντιστροφέων... 50 D ΜΕΘΟΔΟΣ PWM............ 51 D ΕΠΙΛΟΓΗ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ............... 52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5...... 54 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΚΑΤΟΙΚΙΑ... 54 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.................. 54 5.2 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ-ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ... 55 5.2.1 Χρονική περίοδος.................. 55 5.2.2 Ηλεκτρικές Καταναλώσεις... 56 5.2.3 Η ηλιακή ενέργεια... 58 5.2.4 Η φωτοβολταϊκή γεννήτρια... 61 5.2.4.1 Κλίση των συλλεκτών............ 61 5.2.4.2 Η απαιτούμενη ισχύς αιχμής......... 61 5.2.4.3 Το πλήθος και η οργάνωση των φ/β πλαισίων... 63 5.2.5 Οι συσσωρευτές.......... 65 5.2.6 Ρυθμιστής Φόρτισης...... 67 5.2.7 Inνerter......... 69 5.3 Επιλογή Βοηθητικής Πηγής... 70 5.4 Έκταση Φ/Β Εγκατάστασης...... 71 5.5 Κόστος συστήματος και Οδηγίες Λειτουργίας και Συντήρησης...... 74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6..................... 75 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ..... 75 ΠΑΡΑΡΤΗ ΜΑ............. 78 ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 3
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΌΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη λειτουργίας ενός αυτονόμου φωτοβολταϊκού συστήματος. Στο πλαίσιο αυτό θα αναλυθεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και πως το εκμεταλλευόμαστε για να παράγουμε ηλεκτρική ενέργεια. Επίσης θα εξηγηθεί η λ ε ιτουργία των ηλεκτρικών συσσωρευτών ως μέσο αποθήκευσης ηλ ε κτρικής ενέργειας στα αυτόνομα συστήματα. Τέλος θα περιγραφούν ένα προς ένα όλοι οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς που είναι υπεύθυνοι για την προσαρμογή και μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας από το σύστημα στο φορτίο, και θα αναλυθεί η λειτουργία τους και ο έλεγχος τους. ι.ι ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Στην παρούσα εργασία θα ασχοληθούμε με μια από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, την ηλιακή. Άμεσα η ηλιακή ενέργεια μπορεί να μετατραπεί είτε σε θερμική με τους ηλιακούς θερμικούς συλλέκτες είτε σε ηλεκτρική με τα φωτοβολταϊκά στοιχεία τα οποία θα μας απασχολήσουν εκτενέστερα. Η θερμική ενέργεια δε μπορεί να μεταφερθεί χωρίς απώλειες σε μεγάλες αποστ9σεις σε αντίθεση με την ηλεκτρική ενέργεια. Μπορεί να μεταφέρεται εύκολα με σχετικά μικρές απώλειες, μπορεί να μετατρέπεται σε άλλες μορφές αλλά και να αποθηκεύεται σε κάποιες μονάδες με ικανοποιητική απόδοση. Το ενδιαφέρον για την ηλιακή ενέργεια εντάθηκε όταν χάρη στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, διαπιστώθηκε η πρακτική δυνατότητα της εύκολης, άμεσης και αποδοτικής μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια με την κατασκευή φωτοβολταϊκών γεννητριών. Κάθε ώρα ο πλανήτης λαμβάνει από τον ήλιο ενέργεια της τάξης των 150 με 200 δισεκατομμύρια MW. Βέβαια στην επιφάνεια δεν φτάνει όλη αυτή η ποσότητα καθώς ένα ποσοστό ανακλάται από την ατμόσφαιρα, τα σύννεφα, τους ωκεανούς, το έδαφος ή και απορροφάται για να θερμάνει την επιφάνεια της γης. Έστω πάντως ότι η ωφέλιμη ενέργεια είναι το 1/5 αυτής που φθάνει στα όρια της ατμόσφαιρας αρκεί και με το παραπάνω για να καλύψει τις ανάγκες της ανθρωπότητας σε ενέργεια, τουλάχιστον με τα σημερινό δεδομένα κατανάλωσης. Βέβαια ο άνθρωπος εννοείται πως είναι αδύνατον και πάλι να εκμεταλλευτεί με τέτοιο τρόπο την ηλιακή ενέργεια, ώστε να εξαρτάται αποκλειστικά από αυτή, καθώς κάτι τέτοιο θα απαιτούσε την κάλυψη τεράστιων εκτάσεων γης με ηλιακά στοιχεία. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 4
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Η ανάπτυξη των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Α.Π. Ε) και κυρίως της αιολικής και της φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής ενέργειας προωθείται και ενισχύεται με ισχυρά κίνητρα και υψηλούς ρυθμούς σε όλον τον ανεπτυγμένο κόσμο. Μεταξύ των δυο αυτών μορφών η αιολική εμφανίζεται οικονομικότερη άρα και περισσότερο προσιτή, κυρίως με την μορφή αιολικών πάρκων συνδεδεμένων στο δίκτυο τ ης ΔΕΗ. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματά τους όπως ότι δεν έχουν κινούμενα μέρη, παρουσιάζουν ακόμα υψηλό κατασκευαστικό κόστος. Η διάφορα κόστους παραγωγής της ηλεκτρικής KWh από πετρέλαιο και από ανανεώσιμες πήγες μειώνεται σταδιακά, ώστε σύντομα μέσα στην επόμενη δεκαετία να μπορεί να προβλεφθεί μια απευθείας σύγκριση κόστους ενέργειας. Ήδη το κόστος εγκατάστασης τους παρουσιάζεται ανταγωνιστικό απέναντι στη συμβατική παραγωγή ενέργειας σε περιπτώσεις μη συνδεδεμένων με το δίκτυο περιοχών, όπως σε απομονωμένα νησιά ή οικισμούς. 1.2 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΤΟΥ ΚΙΟΤΟ Σημαντικό καρπό των προσπαθειών που συντελέστηκαν σε παγκόσμιο επίπεδο για την προστασία του περιβάλλοντος και κατ επέκταση την προώθηση των ΑΠΕ αποτέλεσε το Πρωτόκολλο του Κιότο, που υπογράφτηκε στις 10/12/1997 στο Κιότο της Ιαπωνίας αλλά τέθηκε σε ισχύ πολύ αργότερα, στις 16/02/2005 μετά την επικύρωση του και από τη Ρωσία. Το Πρωτόκολλο του Κιότο, το οποίο έχει πλέον την υποστήριξη 141 χωρών και είναι νόμιμα δεσμευτικό, προβλέπει ότι μέχρι το 2012 η παγκόσμια εκπομπή των 6 αερίων του θερμοκηπίου, με κυριότερο το C02, θα έχει μειωθεί κατά 5.2% σε σχέση με τα επίπεδα του 1990. Η Ευρωπαϊκή Ένωση υποχρεώνεται από το Πρωτόκολλο του Κιότο να μειώσει τις εκπομπές κατά 8% συνολικά. Στα πλαίσια του πρωτοκόλλου και με βάση τις εσωτερικές συμφωνίες σε επίπεδο Ε.Ε, η Ελλάδα έχει δεσμευθεί σε επίπεδο εσωτερικής συμφωνίας της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ότι οι συγκεκριμένες εκπομπές που ευθύνονται για τις κλιματικές αλλαγές, εντός της ελληνικής επικράτειας, δεν θα αυξηθούν περισσότερο από 25% ως το 2010, σε σχέση με τις εκπομπές του έτους βάσης που είναι το 1990. Πρόσφατη μελέτη του Αστεροσκοπείου Αθηνών προβλέπει αύξηση κατά 39.2% των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στην Ελλάδα, ποσοστό που υπερβαίνει κατά πολύ τα ανώτερα όρια. Σύμφωνα με την μελέτη αυτή, αν ο στόχος που έχει θέσει η Ευρωπαϊκή Ένωση για συνολική μ ε ίωση κατά 8% των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου επιτευχθεί, τότε στη χώρα μας θα μ ε ιωθούν το 50 2 (κατά 6-70/ο)και τα οξείδια του αζώτου (κατά 3.2-3.7%). ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟ Σ 5
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Η υλοποίηση του Πρωτοκόλλου επιχειρείται με τρεις ευέλικτους μηχανισμούς: 2. Τη διαπραγμάτευση - εμπορία δικαιωμάτων εκπομπών, 3. Το πρόγραμμα από κοινού, και 4. Το μηχανισμό καθαρής ανάπτυξης. Το σύστημα εμπορίας δικαιωμάτων εκπομπής αέριων του θερμοκηπίου αποτελεί έναν από τους τρεις «ευέλικτους μηχανισμούς» που έχουν προβλεφθεί στο Πρωτόκολλο για την διευκόλυνση της επίτευξης των στόχων του και για την εξασφάλιση της μείωσης, με το μικρότερο δυνατό κόστος για την οικονομία, των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου στους τομείς της ενέργειας και της βιομηχανίας. Αρχικά το σύστημα θα λειτουργήσει μόνο για το C0 2, το οποίο αποτελεί το πρώτο σε σειρά σπουδαιότητας αέριο του θερμοκηπίου. Στόχος του συστήματος εμπορίας δικαιωμάτων είναι να ενθαρρύνει τις εγκαταστάσεις να περιορίσουν την εκπομπή αερίων ρύπων περισσότερο από ότι απαιτείται με βάση τη διεθνή συμφωνία, οπότε και θα μπορούν να δημιουργούν πρόσθετα έσοδα, πωλώντας το υπόλοιπο του μεριδίου τους. Παράλληλα, εγκαταστάσεις που αντιμετωπίζουν δυσκολίες συγκράτησης των εκπομπών τους εντός των ορίων των δικαιωμάτων εκπομπής που τους έχουν διατεθεί, θα μπορέσουν να το επιτύχουν αγοράζοντας δικαιώματα ρύπανσης από άλλους που έχουν πλεόνασμα. Τέλος, εγκαταστάσεις που ακόμα και έτσι υπερβαίνουν τα όρια θα καταβάλλουν πρόστιμο για κάθε επιπλέον τόνο C0 2 που παράγουν. 1.3 Εξέλιξη Θεσμικού Πλαισίου στην Ελλάδα Το 1985 άρχισαν να εμφανίζονται οι Α.Π.Ε. στη χώρα και έτσι ήταν αναγκαία η ρύθμιση θεμάτων εναλλακτικών μορφών ενέργειας και ειδικών θεμάτων ηλεκτροπαραγωγής από συμβατικά καύσιμα. Η εισαγωγή των ανανεώσιμων πηγών στην Ελλάδα έγινε με τη Δ.Ε.Η να κάνει την αρχή εγκαθιστώντας 24MW ανανεώσιμων πηγών, κυρίως μικρά αιολικά πάρκα και φ/β συστήματα μικρής ισχύος, ενώ και η τοπική αυτοδιοίκηση εγκατέστησε 3MW μέχρι το 1995. Για την διαμόρφωση της σχετικής νομοθεσίας, η ελληνική πολιτεία χρησιμοποίησε ως πρότυπο το γερμανικό νόμο (Stromeiπspeisuπgsgesetz) και το 1994 προτάθηκε η «ρύθμιση θεμάτων ηλεκτροπαραγωγής από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και συμβατικά καύσιμα και άλλες διατάξεις». Το 1999 επικυρώθηκε ο νόμος για την απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 6
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Το 2001 μια νέα ρύθμιση επέφερε την απλοποίηση στις διαδικασίες ίδρυσης εταιρειών και τη διευθέτηση κενών στον αδειοδοτικό μηχανισμό ενώ το 2002 ψηφίστηκε αναθεωρητικός νόμος για τη διαδικασία περιβαλλοντικής αδειοδότησης. Το 2004 αποφασίστηκε ότι εγκαταστάσεις ανανεώσιμης ηλεκτροπαραγωγής μικρού μεγέθους ανήκουν στην κατηγορία μηδενικής όχλησης με συνέπεια να είναι δυνατή η ένταξη τους στον οικιστικό ιστό. Το 2006 θεσμοθετήθηκε ένας νόμος που οργάνωσε ουσιαστικά την κατάσταση στις ΑΠΕ. Ορίστηκε ο περιορισμός των γνωμοδοτούντων φορέων στα στάδια της αδειοδοτικής διαδικασίας και τέθηκε ο εθνικός στόχος για τη συμμετοχή της ηλεκτροπαραγωγής με χρήση Α. Π.Ε. το 2010 στο 20,1% και το 2020 στο 29%. Παράλληλα ο νόμος τροποποίησε τις τιμές πώλησης ενέργειας από ΑΠΕ με σκοπό να τονωθεί κυρίως η αγορά των φωτοβολταϊκών και βελτίωσε τους όρους αγοραπωλησίας της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας με σκοπό τη διευκόλυνση της τραπεζικής χρηματοδότησης των έργων. Τέλος ορίστηκε η αδειοδότηση υβριδικών σταθμών χωρίς διαγωνιστική διαδικασία. Η έκθεση του Εθνικού Σχεδίου Δράσης για την επίτευξη του «20-20-20» περιλαμβάνει εκτιμήσεις για την εξέλιξη του ενεργειακού τομέα και τη διείσδυση των τεχνολογιών των ΑΠΕ έως το 2020. Ο στόχος για τις εκπομπές αερίων ρύπων του θερμοκηπίου είναι μείωση κατά 4% στους τομείς εκτός εμπορίας σε σχέση με τα επίπεδα του 2005, και 18% διείσδυση των ΑΠΕ στην ακαθάριστη τελική κατανάλωση. Για να μιλήσουμε όμως με αριθμούς, οι εθνικοί στόχοι για το 2020 για την ηλεκτροπαραγωγή διαμορφώνονται στην ανάπτυξη περίπου 13300MW από ΑΠΕ, με τα αιολικά πάρκα στα 7500MW, τα υδροηλεκτρικά στα 3000MW και τα ηλιακά στα περίπου 2500MW. Η Ελληνική κυβέρνηση με το Νόμο 3851/2010 προχώρησε στην αύξηση του εθνικού στόχου συμμετοχής των ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση ενέργειας στο 20%, ο οποίος και εξειδικεύεται σε 40% συμμετοχή των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή, 20% σε ανάγκες θέρμανσης-ψύξης και 10 % στις μεταφορές. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 7
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το φωτοβολταικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1839, όταν ο δεκαεννιάχρονος Γάλλος φυσικός Edmuπd Becquerel πέτυχε την εμφάνιση τάσης, όταν φώτισε ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο σε ένα αραιό ηλεκτρολυτικό διάλυμα. Το 1986 οι Adams και Day ήταν οι πρώτοι που μελέτησαν το φωτοβολταϊκό φαινόμενο στα στερεά. Κατασκεύασαν φωτοβολταϊκά στοιχεία από σελήνιο (Se) με απόδοση 1-2%. Το 1904 ο Albert Eiπsteiπ δημοσίευσε μια θεωρητική εξήγηση για το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, που τον οδήγησε στο βραβείο Nobel το 1923. Περίπου την ίδια περίοδο ένας Πολωνός επιστήμονας με το όνομα Czochralski άρχισε να αναπτύσσει μια μέθοδο για την κατασκευή τέλειων κρυστάλλων από πυρίτιο, γεγονός που θα αποτελούσε το θεμέλιο λίθο για τη σύγχρονη ηλεκτρονική, και κα τά συνέπεια για τα φωτοβολταϊκά. Στη δεκαετία του 1940 και 1950 η μέθοδος Czochralski άρχισε να χρησιμοποιείται για την κατασκευή της πρώτης γενιάς μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών από πυρίτιο, μια μέθοδος που κυριαρχεί ακόμα και σήμερα. Το 1952 ανακαλύφθηκε η μέθοδος τετηγμένης ζώνης για την κατασκευή στερεών πολύ μεγάλης καθαρότητας που αργότερα χρησιμοποιήθηκε ευρέως αν και ακριβή ενώ το 1953 ανακαλύφθηκε η μέθοδος σχηματισμού ενώσεων ρ - π με διάχυση προσμίξεων. Σο 1954 κατασκευάστηκε το πρώτο ηλιακό κελί από Si με σχηματισμό ένωσης ρ-π με διάχυση προσμίξεων στα εργαστήρια της Bell από τους Chapiπ, Fuller και Pearsoπ με απόδοση 6%. Σο 1956 ξεκίνησε η μαζική παραγωγή ηλιακών στοιχείων από την εταιρεία Hoffmaππ. Το έτος σταθμός για την αρχή της μαζικής παραγωγής των φωτοβολταϊκών είναι το 2004 και φέρνει ως αποτέλεσμα την κατακόρυφη μείωση της τιμής του εξπολισμού στα 6,5 ευρώ/wρ, με τη συνολική παραγωγή να φτάνει τα 1.200 MegaWatt ΦΒ στοιχείων και το τζίρο να αγγίζει τα 6.500.000.000$. Έ να βασικό μειονέκτημα ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι ότι, σε αντίθεση με πολλά άλλα συστήματα μετα τ ροπής, η τροφοδοσία του (ηλιακή ακτινοβολία) δεν είναι καθόλου σταθερή αλλά αυξομειώνεται μεταξύ μιας μέγιστης και της μηδενικής τιμής. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 8
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛ ΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Το ποσό της ε ν έργειας π ου πε ρ ιέχετ αι στο φως το υ ήλ ι ου, ον ο μάζετα ι ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και με μία πιο αυστηρή ορολογία, ροή ακτινοβολίας που ορίζεται ως το ποσό της ενέργειας της ακτινοβολίας που περνά στη μονάδα του χρόνου από τη μονάδα εμβαδού μιας επ ι φάνειας τοποθετημέν η ς κάθετα στην κατεύθυνση της ακτινοβολ ί ας και εκφράζεται συνήθως σε kw/m 2. Ε π ίσης στα φωτοβολταϊκά στοιχε ί α δεν είναι δυνατή η μ ετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια του συ ν όλου της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχ ονται στην επ ι φάνεια τους. Ένα μ έρος από τη ν π ρ οσπίπτουσα ακτινοβολία ανακλάται πάνω στην επιφάνεια του στοιχείο υ και διαχέεται πάλι προς το περιβάλλον, ενώ από τη ακτινοβολία που διεισδύει ένα μέρος πάλι συμβάλει στην εκδήλωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Όπως αναφέρθηκε κα ι παραπάνω, η η λ ι ακή α κτι νοβ ολία π α ρ ουσι άζε ι μεγάλες δι ακυμάνσεις. Στο Σχήμα 2.1 δείχνοντα ι παραδείγματα της ομαλής μεταβολής της έντασης της ηλ ι ακής ακτινοβολί α ς κατά την δ ι άρκεια τ η ς ημέρας για τρείς ενδεικτικές ημερομηνίες (καλοκαίρι, άνοιξη κα ι φθ ι νόπωρο, χειμώνας) σε συνθ ή κες ιδανικά καθαρού ουρανού. 1.0 ~ 0.8 Ε 3 0.7 -:. 0.6.9 -< ο c::ι. 0.5... ~ 0.4 c "' "' c -< Ι ι::- 0.3 0.9 Ιουνίου 0.2 1 0.1 ο t 5 21 Μαρτίου ι] 21 Σεπτεμβρίου 21 Δεκεμβρίου.L...L...ι.~ 10 1 15 20 24 t Μεσάνυχτα Μεσημ έρι Μεοάνυχrcι -Ώρα της ημ έρας (h) - Σχήμα 2.1: Διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στη διάρκεια των φωτε ι νών ωρών τριών χαρακτηριστικών ημερομηνιών ΔΡΑ ΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 9
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Χαρακτηριστικό μ έγεθος είναι η τιμή της μέγιστης έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας (ένταση αιχμής), που μετράται στο ηλιακό μεσημέρι, δηλαδή όταν ο ήλιος βρίσκεται στο μεγαλύτερο ύψος του ορίζοντα, το οποίο δεν συμπίπτει κατ' ανάγκη με το ωρολογιακό μεσημέρι. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται μια επίπεδη επιφάνεια γίνεται σημαντικά μεγαλύτερη όταν βρίσκεται σε κατάλληλη κλίση, ώστε η πρόσπτωση των ακτινών να γίνεται περισσότερο κάθετα. Έτσι, η μέγιστη ισχύς τ ης ακτινοβολίας το ηλιακό μεσημέρι στις ευνοϊκότερες ημέρες του έτους, δεν διαφέρει πάρα πολύ από τόπο σε τόπο και η τιμή 1 kw/m 2 αποτελεί μια πολύ χονδρική, αλλά γενικά αποδεκτή προσέγγιση. Όταν ο ουρανός έχει σύννεφα, η μεταβολή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης γίνεται ανώμαλη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.2. Οι παρατηρούμενες απότομες πτώσεις της έντασης οφείλονται στην παρεμβολή ενός νέφους που μετακινεί ο άνεμος. Επίσης το γρήγορο πέρασμα ενός σμήνους πουλιών ή ενός αεροπλάνου μέσα από την δέσμη του ηλιακού φωτός που δέχεται ο συλλέκτης, καταγράφεται σαν μια πολύ οξεία στιγμιαία πτώση της έντασης της ακτινοβολίας. Παρατηρούμε, ακόμη, εξάρσεις που ξεπερνούν τις κανονικές τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας σε συνθήκες καθαρού ουρανού. Προφανώς, στα αντίστοιχα χρονικά διαστήματα θα συμβαίνει αθροιστική επίδραση της άμεσης ακτινοβολίας από τον ήλιο, μέσα από ένα άνοιγμα των νεφών, και της ανακλώμενης από τα σύννεφα. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 10
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕ Χ ΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» 1.3 1.2 C Ε 1.1 ' \ ' 5 1.0 ~.Q -< 0.9 ο C!:J.. 0.8 ~ ι- >< 0.7 ο C::- 0.6 " -< Ι ο 0.5 ι 0.4 0.3 Ι 1 Ι Ι 1 1 1 ' 0.2 0.1 ο t Mf.σavuxra 5 10 15 Μωημέρι 20 24 t Μf.σάvυχτα - Ώρα της ημ έρας (h)- Σχήμα 2.2: Διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας κατ'α τη διάρκεια των φωτεινών ωρών μιας ημέρας με μερική νέφωση Κατά την διάρκεια του έτους, στο βόρειο ημισφαίριο, ο αριθμός των φωτεινών ωρών της ημέρας, η μέγιστη ισχύς καθώς και η συνολική ημερήσια ενέργεια που δέχεται μια οριζόντια επιφάνεια φτάνουν στις μέγιστες τιμές τους στις 21 Ιουνίου (θερινό ηλιοστάσιο) και πέφτουν στις αντίστοιχες ελάχιστες τιμές τους στις 21 Δεκεμβρίου (χειμερινό ηλιοστάσιο). Στις επιφάνειες, όμως, πχ που βρίσκονται σε κλίση ίση με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου, η μέγιστη τιμή της ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας είναι στα ηλιακά μεσημέρια των ισημεριών (21 Μαρτίου και 21 Σεπτεμβρίου) διότι τότε δέχονται κάθετα τις ακτίνες του ήλιου. Κατά την διέλευση των ηλιακών ακτίνων, από την γήινη ατμόσφαιρα, η έντασή τους ελαπώνεται εξ' αιτίας κάποιων παραγόντων, οι κυριότεροι εκ των οποίων είναι: α) μεταβολές στην ακτινοβολία που φτάνει στο όριο της ατμόσφαιρας. β) σκ έ δαση στην ατμόσφαιρα από τα μόρια αέρος, υδρατμούς και σκόνη και γ) απορρόφηση στην ατμόσφαιρα από Η 2 0, C02 και 0 3 (κυρίως στο υπεριώδες). ΔΡΑΓΑΝΗ Σ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 11
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Ως αποτέλεσμα, σε κάθε τόπο της επιφάνειας της γης, φτάνουν δύο συνιστώσες του ηλιακού φωτός: η απευθείας, ή άμεση (b -7Beam) και η σκεδαζόμενη στα μόρια του αέρα, η οποία λέγεται διάχυτη (d -7 Diffuse). Σε έναν αισθητήρα ή συλλέκτη, λοιπόν, η προσπίπ τουσα ακτινοβολία αποτελείται από την άμεση, την διάχυτη και την διάχυτα ανακλώμενη από το έδαφος ακτινοβολία (Σχήμα 2.3). Η συνολική αυτή ακτινοβολία αναφέρεται ως ολική ακτινοβολία σε κεκλιμένο επίπεδο και συμβολίζεται με G (Global Irradiation). Η διάχυτα ανακλώμενη ακτινοβολία εξαρτάται από την μορφολογία και το χρώμα του εδάφους ή της επικάλυψής του (γρασίδι ή χιόνι) και την πυκνότητα των νεφών. Αντιθέτως, η ολική, η απευθείας και η διάχυτη εξαρτώνται από άλλους παράγοντες, όπως α) η σύσταση- κατάσταση της ατμόσφαιρας, την δεδομένη χρονική στιγμή, β) την ημέρα κατά την διάρκεια του έτους και γ) την γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτινών στην επιφάνεια του συλλέκτη (ύψος του ήλιου κατά την διάρκεια της ημέρας). Συμβατικά το μήκος της διαδρομής της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα στη γήινη ατμόσφαιρα μέχρι τη στάθμη της θάλασσας, χαρακτηρίζεται από μια κλίμακα μάζας αέρα ΑΜ (air mass). Αυτή η κλίμακα είναι βαθμονομημένη με το αντίστροφο του συνημίτονου της ζενιθιακής απόστασης ζ, δηλαδή της γωνίας ανάμεσα στη θέση του ήλιου και την κατακόρυφο. Ουσιαστικά η κλίμακα ΑΜ δείχνει πόσες φορές είναι μεγαλύτερη η διαδρομή της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα από την 1 ΑΜ = -- κατακόρυφη διαδρομή της. Συνεπώς η ΑΜ υπολογίζεται από τη σχέση cos θ Ακολουθεί ο πίνακας με τις πρότυπες τιμές της ΑΜ: ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 12
.F.... «ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Τιμή ΑΜ ΑΜΟ AMl ΑΜ2 ΑΜ3 Συμβατικές συνθήκες Στο διάστημα, έξω από την ατμόσφαιρα. Ο ήλιος στο ζενίθ. Κάθετη πρόσπτωση σε επιφάνεια στη στάθμη της θάλασσας. Ξηρή ατμόσφαιρα. Απόσταση ήλιου 60 από το ζενίθ. Κάθετη πρόσπτωση σε επιφάνεια στη στάθμη της θάλασσας. Ξηρή ατμόσφαιρα. Απόσταση ήλιου 70,5 από το ζενίθ. Κάθετη πρόσπτωση σε επιφάνεια στη στάθμη της θάλασσας. Ξηρή ατμόσφαιρα. Ισχύς ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ) 1350 1060 880 750 --- -- iα ;ι,v 1 1 ι ι ψι..'ι.; (\.' ~'.Ο ιι. φι 1., 1-u-- --- --- -- ---~-- Σχήμα 2.3: Κατανομή της ακτινοβολίας Η ηλιακή ακτινοβολία ΑΜ 1,5 έχει πυκνότητα 935 W/m 2 και αποτελεί μια αρκετά αντιπροσωπευτική προσέγγιση της μέσης μέγιστης ισχύος που δέχετα ι μια επιφάνεια κάθετη προς την ακτινοβολία σε ευνοϊκές συνθήκες. Για απλοποίηση, η παραπάνω πυκνότητα ισχύος στρογγυλεύεται στα 1000 W/m 2, και ονομάζεται συμβατικά ακτινοβολία ενός ήλιου. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 13
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Τα φωτοβολταϊκά συστήματα διακρίνονται σε διασυνδεδεμένα και αυτόνομα: v" Τα διασυνδεδεμένα συστήματα συνδέονται και λειτουργούν παράλληλα με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο, ενώ δε διαθέτουν σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Χρησιμοποιούνται για παραγωγή και πώληση της ενέργειας στο δίκτυο. v" Τα αυτόνομα συστήματα απευθύνονται σε εφαρμογές που είναι εκτός κεντρικού ηλεκτρικού δικτύου, κυρίως σε απομακρυσμένες περιοχές. Συνήθως διαθέτουν σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (μπαταρίες). Το μέγεθος των συστημάτων αυτών είναι ανάλογο με την ηλεκτρική κατανάλωση των φορτίων της εφαρμογής καθώς και με την περιοχή εγκατάστασης. 2.2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ Τα κύρια συστατικά των φωτοβολταϊκών γεννητριών είναι τα φωτοβολταϊκά στοιχεία ή φωτοστοιχεία ή ηλιακά κύπαρα ή κυψελίδες. Αυτά είναι δίοδοι ημιαγωγών που καθώς δέχονται στην επιφάνεια τους την ηλιακή ακτινοβολία, εκδηλώνει μία διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην εμπρός και στην πίσω όψη τους. Ανάλογα με το υλικό κατασκευής τους και την ένταση ακτινοβολίας που δέχονται, ένα ηλιακό κύπαρο μπορεί να δώσει μέχρι 0,5-1,0 Volt και πυκνότητα ρεύματος μέχρι 20-40mA ανά cm2 της επιφανείας του. Το είδος του ημιαγωγού που επιλέγεται ως υλικό κατασκευής φωτοβολταϊκών στοιχείων, καθορίζεται από την τιμή του ενεργειακού διακένου του η οποία καθορίζει και την απόδοση του στοιχείου. Το πυρίτιο αποτελεί το βασικότερο υλικό για την κατασκευή ηλιακών κυπάρων μια και αποτελεί το κυρίαρχο υλικό στην κατασκευή ημιαγωγών. 2.3 ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία όπως αναφέρθηκε προηγουμένως κατασκευάζονται κυρίως από ημιαγωγούς που είναι στοιχεία τετρασθενή με τετραεδρική κρυσταλλική δομή όπως το πυρίτιο (Si). Στα στοιχεία αυτά δεν υπάρχουν ελεύθεροι φορείς ηλεκτρικού ρεύματος και δε διαθέτουν ηλεκτρική αγωγιμότητα. Όταν όμως απορροφήσουν κάποια αξιόλογη ενέργεια, πραγματοποιείται μια ριζική μεταβολή. Η ενέργεια προκαλεί την ελευθέρωση πολλών ηλεκτρονίων από τους δεσμούς. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 14
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Τα ηλεκτρόνια αυτά σθένους απομακρύνονται από την περιοχή του δεσμού τους στο κρυσταλλικό πλέγμα, χάρη στην κινητική ενέργεια που απόκτησαν και γίνονται ευκίνητοι φορείς του ηλεκτρισμού, δίνοντας στον ημιαγωγό μια αξιόλογη ηλεκτρική αγωγιμότητα. Είναι φανερό ότι το ενεργειακό διάκενο ανάμεσα στη ζώνη σθένους και στη ζώνη αγωγιμότητας εκφράζει την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για τη διέγερση ενός ηλεκτρονίου σθένους, ώστε να μετατραπεί σε ελεύθερο ηλεκτρόνιο, με ταυτόχρονη δημιουργία μιας οπής. Αν στα ηλεκτρόνια προσφερθεί μια ποσότητα ενέργειας π.χ. αν δεχθούν μια δέσμη από φωτόνια με ενέργεια hν μικρότερη από το ενεργειακό διάκενο (Eg>hν), δε μπορούν να την απορροφήσουν και μένουν στη ζώνη σθένους. Αν όμως τα ενεργειακά κβάντα που προσφέρονται είναι ίσα ή μεγαλύτερα από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού (Eg<hν), τότε κάθε κβάντα μπορεί να απορροφηθεί από ένα ηλεκτρόνιο σθένους και να το διεγείρει προς τη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας στη ζώνη σθένους μία οπή. Ο παραπάνω μηχανισμός διέγερσης εξαρτάται και από το αν ο ημιαγωγός είναι άμεσος ή έμμεσος. Αν τώρα ο τετρασθενής ημιαγωγός Si, νοθευτεί με κάποιο πεντασθενές στοιχείο (φώσφορος, Ρ) ή με κάποιο τρισθενές στοιχείο (βόριο, Β), τότε έχουμε ημιαγωγό προσμίξεως τύπου-n και τύπου-ρ αντίστοιχα. Σχήμα 2.3.1 : Κρυσταλλικό πλέγμα πυριτίου με άτομα πρόσμιξης ΔΡΑΓΑΝΗ Σ ΝΙΚΟΛΑΟ Σ 15
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Όταν σε μια περιοχή του ημιαγωγού υπάρχει δημιουργία ή έκχυση φορέων σε περίσσεια, αυτοί διαχέονται προς τις άλλες περιοχές του ημιαγωγού όπου η συγκέντρωση των αντίστοιχων φορέων είναι μικρότερη. Επίσης όταν έλθουν σε στενή επαφή ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου p με ένα τεμάχιο ημιαγωγού τύπου n, δηλαδή σχηματιστεί μια ένωση p-n (διάταξη διόδου ημιαγωγού), τότε ένα μέρος από τις οπές του τεμαχίου τ ύπου p διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου n όπου οι οπές είναι λιγότερες και συγχρόνως ένα μέρος από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του τεμαχίου τύπου n διαχέεται προς το τεμάχιο τύπου p όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι πολύ λ ι γότερα. Η ανάμιξη αυτή των φορέων και η αύξηση της συγκέντρωσης των φορέων μειονότητας στις περιοχές κοντά στη διαχωριστική επιφάνεια (περιοχή αραίωσης) των τεμαχίων τύπου p και π, ανατρέπουν την ισορροπία που υπήρχε πριν. Η αποκατάσταση των συνθηκών ισορροπίας γίνεται με επανασυνδέσεις των φορέων, μέχρι οι συγκεντρώσεις τους να πάρουν τιμές που να ικανοποιούν τον νόμο δράσης των μαζών. Η συγκέντρωση των κατιόντων στα οποία μετατράπηκαν οι αποδέκτες στο τμήμα τύπου p και π, παραμένουν αμετάβλητες αφού τα ιόντα, όπως συνήθως όλα τα άτομα στα στερεά, μένουν ακίνητα στο σώμα. Έτσι το υλικό χάνει τοπικά την ηλεκτρική ουδετερότητα και οι δύο πλευρές της ένωσης p-n φορτίζονται με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία. Δημιουργείται λοιπόν μια διαφορά δυναμικού, που η τιμή της είναι σχετικά μικρή, αλλά το ενσωματωμένο αυτό ηλεκτροστατικό πεδίο εμποδίζει την παραπέρα διάχυση των φορέων πλειονότητας προς το απέναντι τμήμα της ένωσης. Το αποτέλεσμα είναι ότι η δίοδος που περιέχει την ένωση p-n, παρουσιάζει εντελώς διαφορετική συμπεριφορά στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, ανάλογα με την φορά του. Το σημείο εκκίνησης για τις περισσότερες φωτοβολταϊκές συσκευές σήμερα είναι το πυρίτιο (Si). Βρίσκεται στην τέταρτη ομάδα του περιοδικού πίνακα, όπως και το γερμάνιο (Ge), το οποίο χρησιμοποιείται και αυτό για την κατασκευή διατάξεων ημιαγωγών. Συνήθως στο πυρίτιο δημιουργούνται προσμίξ ε ις βόριου (Β) ή φωσφόρου (Ρ), στοιχείων της τρίτης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Επιπλέον στην κατασκευή των φωτοβολταϊκών μπορεί να χρησιμοποιηθεί το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) ή το CdTe. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟ Σ 16
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» 2.4 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Ως φωτοβολταϊκό φαινόμενο ορίζουμε την κατάσταση κατά την οποία μια ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο (ημιαγωγός) και μετατρέπεται απ' ευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Δημιουργείται έτσι, όσο διαρκεί η ακτινοβολία, μια περίσσεια από ζεύγη φορέων πέρα από τις συγκεντρώσεις που αντιστοιχούν στις συνθήκες ισορροπίας. Οι φορείς αυτοί, καθώς κυκλοφορούν στο στερεό και εφόσον δεν επανασυνδεθούν με φορείς αντίθετου προσήμου, μπορεί να βρεθούν στην περιοχή της ένωσης ρ-π, οπότε θα δεχθούν την επίδραση του ηλεκτροστατικού της πεδίου. Με τον τρόπο αυτό, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου π και οι οπές εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου p, με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων της διόδου. Η εκδήλωση της τάσης αυτής ανάμεσα στις δύο όψεις του φωτιζόμενου δίσκου, η οποία αντιστοιχεί σε ορθή πόλωση της διόδου, ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η διάταξη αποτελεί μια πηγή ρεύματος που διατηρείται όσο διαρκεί η πρόσπτωση του ηλιακού φωτός πάνω στην επιφάνεια του στοιχείου. Όταν ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο δέχεται κατάλληλη ακτινοβολία, διεγείρεται παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα, το φωτόρευμα Ιφ, που η τιμή του θα είναι ανάλογη προς τα φωτόνια που απορροφά το στοιχείο. Η πυκνότητα του φωτορεύματος δίνεται από τη σχέση 2.1: λg (2.1) 1 Φ = e f S ( λ )[ 1 - R( λ)]φ(λ)dλ ο όπου e, είναι το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο και λg, το μέγιστο χρησιμοποιούμενο μήκος κύματος ακτινοβολίας στον ημιαγωγό. S(λ) είναι η φασματική απόκριση που ορίζεται ως το πλήθος των φορέων που συλλέγονται στα ηλεκτρόδια του φωτοβολταϊκού στοιχείου σε σχέση με τη φωτονική ροή Φ(λ), δηλαδή με το πλήθος των φωτονίων της ακτινοβολίας που δέχεται το στοιχείο ανά μονάδα επιφανείας και χρόνου με ενέργεια που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος από λ μέχρι λ+dλ. R(λ) είναι 0 δείκτης ανάκλασης της επιφάνειας του στοιχείου. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 17
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» ηλιαχ6 φω( Τ nuρh1ό n.. 1\1Jro41 ι:nοφη πuρ iτ ο.p-1tvn,01i Σχήμα 2.4.1 : Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο 2.5 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ Για να γίνει μια εκτίμηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών και της λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου, μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελεί μια πηγή ρεύματος που ελέγχεται από μία δίοδο και ότι περιγράφεται από το πολύ απλοποιημένο διάγραμμα του σχήματος 2.5.1 παρακάτω. Στο ισοδύναμο αυτό δεν συμπεριλαμβάνεται η αντίσταση λόγω της κίνησης των φορέων μέσα στον ημιαγωγό και στις επαφές με τα ηλεκτρόδια, όπως ακόμα και η μη άπειρη αντίσταση διαμέσου της διόδου και τα αναπόφευκτα ρεύματα διαρροής. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 18
«Λ Ε ΙΤΟ Υ ΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕ Χ ΝΙ Κ Η Μ Ε ΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤ Η ΜΑΤΟ Σ» Σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος, θα αποκατασταθεί ισορροπία όταν η τάση που θα αναπτυχθεί ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, θα προκαλεί ένα αντίθετο ρεύμα που θα αντισταθμίζει το φωτόρευμα, για το οποίο και θα ισχύει: Ι Φ = Ι 0 [e ;; -1] (2.2) Ι ο ------τ-- 1 Υ l Σχήμα 2.5.1: Απλοποιημένο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου. Όπου Ιο, είναι το ανάστροφο ρεύμα κόρου, e το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο, k η σταθερά Boltzmaπn, τ η απόλυτη θερμοκρασία και γ ένας συντελεστής που ανάλογα με την κατασκευή και την ποιότητα της διόδου παίρνει συνήθως τιμές μεταξύ 1 και 2. Από την παραπάνω σχέση, η τάση ανοιχτοκυκλώματος θα είναι: yκτ ί!φ J V =-ln - -1 oc e 1 ο (2.3) ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟ Σ 19
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Η παραπάνω σχέση δείχνει τη λογαριθμική μεταβολή της V 0 c σε συνάρτηση με το Ι φ, δηλαδή με την ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο και την εξάρτηση της από τις διάφορες ιδιότητες του ημιαγωγού. Στην άλλη ακραία περίπτωση, δηλαδή σε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, το ρεύμα βραχυκύκλωσης θα ισούται με το παραγόμενο φωτόρευμα, l sc= I φ. Όταν το κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου κλείσει διαμέσου μιας εξωτερικής αντίστασης R ι, το ρεύμα θα πάρει μια μικρότερη τιμή Ιι που βρίσκεται με τη λύση της εξίσωσης : e lι R L (2.4) Προφανώς θα υπάρχει κάποια τιμή της αντίστασης, δηλαδή του φορτίου του κυκλώματος, για την οποία η ισχύς που παράγει το φωτοβολταϊκό στοιχείο θα γίνεται μέγιστη (Pm = lm Vm). Στις συνθήκες αυτές, θα αντιστοιχεί μια βέλτιστη τάση Vm, που δίνεται από τη λύση της εξίσωσης: e V,.!J... + 1 = (1 + e. V"' ) e r k T 1 ο Υ k Τ (2.5) Για σταθερές συνθήκες ακτινοβολίας (και θερμοκρασίας) και για μεταβαλλόμενες τιμές στην αντίσταση του κυκλώματος που τροφοδοτεί το ηλιακό κύπαρο, η τάση και η ένταση του ρεύματος του κυπάρου παίρνουν ενδιάμεσες τιμές ανάμεσα στις ακραίες που αντιστοιχούν σε μηδενική αντίσταση (βραχυκυκλωμένη κατάσταση με μέγιστη τιμή ρεύματος, Isc και μηδενική τάση) και άπειρη αντίσταση (ανοιχτοκυκλωμένη κατάσταση με μηδενική τιμή ρεύματος και μέγιστη τιμή τάσης, V 0 c), όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 2.5.2. ΔΡΑΓΑΝΗ Σ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 20
«ΛΕ ΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑ Ι ΤΕ Χ ΝΙΚΗ Μ ΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑ Ι ΚΟ Υ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟ Σ» Amps 3. 0 -.~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 2. S 2.0 ~ SHORT C Ι RCUΙ T CU RR EN T ( 1 sc.1 ΜΑΧ ΙΜιJΜ ΡΟ\'Ιι'ΕΑ ' ν οι J AGE:... c UHi Ι Ε Ν!'. _. _...:._,-. _. -. -. _. _. _. _. t ( V mρ ι n~ρ ) \ I ~ 1,,5 1.0 0 5 ο 15 Vo l t ι?,.') 25 ΟΡ Ε CIACUIT VO LTAGE ~ V 0 c ) Σχήμα 2.5.2: Καμπύλες 1-V και P-V φωτοβολταϊκού στοιχ ε ίου Si για σταθερές συνθή κε ς α κτινοβολίας και θερμοκρασίας. Οι βασι κέ ς παράμ ετροι που χαρακτηρίζουν την 1-V χαρακτ ηριστική ενός ηλιακού κ υπάρου ε ίναι οι ακόλουθοι : Ρεύμα Βραχυκύκλωσης Isc Εί να ι το ρ ε ύμα για ν = ο και αν θεωρήσουμε την R ι πολύ μι κ ρή τότε ισούται μ ε το φωτορ ε ύμ α Ι Φ. Τάση ανοιχτού κουκλώματος Voc Ε ί ν αι η τά ση για Ι = Ο και αν θεωρήσουμε την R ι πολύ μ εγάλη προκύπτε ι: V =-ln yκτ ί --1!Φ J oc e 1 ο Δ Ρ ΑΓΑ ΝΗ Σ Ν ΙΚΟΛΑΟ Σ 21
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΌΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟ Σ» Σημείο Μέγιστης Ισχύος Pmp Σε αυτό το σημείο αντιστοιχεί ρεύμα Ιmρ και τάση Vmρ και αποτελεί το σημείο στο οποίο μπορούμε να κατασκευάσουμε με τη μεγαλύτερη επιφάνεια μέσα στη r-ν καμπύλη. Συντελεστής Πλήρωσης FF Ο λόγος της μέγιστης Ηλεκτρικής Ισχύος Pm=Im Vm προς το γινόμενο της βραχυκυκλωμένης έντασης και της ανοιχτοκυκλωμένης τάσης Isc Voc ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου ονομάζεται συντελεστής πλήρωσης FF: V,ηp Ι "Ψ FF=-- - Vσc f sc Οι τιμές του κυμαίνονται από Ο έως 1 αλλά όσο πλησιάζουν τη μονάδα τόσο περισσότερο η λειτουργία ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου πλησιάζει την ιδανική συμπεριφορά της πηγής σταθερού ρεύματος στη περιοχή τάσεων 0-Voc. Τυπικές τιμές βρίσκονται μεταξύ Ο, 7 και 0,85 και χαρακτηρίζουν φωτοβολταϊκά στοιχεία με καλή ενεργειακή απόδοση. Ένταση Ακτινοβολίας Όταν μεταβάλλεται η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία του κυπάρου και τη φασματική κατανομή της ακτινοβολίας) μεταβάλλεται και η I -V χαρακτηριστική καμπύλη. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 22
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕ Χ ΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Σχήμα 2.5.3: Καμπύλες 1-V για μεταβαλλόμενες συνθήκες ακτινοβολίας. Θερμοκρασία Όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία του κυπάρου προκαλούνται οι παρακάτω μεταβολές στις παραμέτρους της 1-V χαρακτηριστικής. Με αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας : α) Το ρεύμα Βραχυκύκλωσης Isc αυξάνεται ελαφρά. Τυπικές τιμές: β) Η Τάση Ανοιχτού Κυκλώματος Voc μειώνεται και οφείλεται σε μεταβολή των χαρακτηρ ι στικών αγωγής της διόδου. Τυπικές τιμές: ιιvσc ιιτ = -2.2 [ηι~ι ι σ c] 1) -0.4% /oc ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 23
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕ Χ ΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΌΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» γ) Η Ισχύς Ρ mρ μειώνεται ενώ μ εταβάλλεται και η μορφή της καμπύλης. l>cl Ι ι; ο ν Σχήμα 2.5.4: Μεταβολή της καμπύλης 1-V με την αύξηση της θερμοκρασίας. Ισχύς αιχμής Wp ή Pa Ως Ισχύς Αιχμής του φωτοβολταϊκου στοιχείου ορίζουμε την μέγιστη ηλεκτρι κ ή ισχύ που μπορεί να αποδώσει υπό πρότυπες συνθήκες ελέγχου (Θερμοκρασία 25 C και ακτινοβολία looow /m 2 ). Για να βοηθήσουν στον υπολογισμό της απόδοσης των φωτοβολταϊκών ανάλογα με τις επι κ ρατούσες συνθή κ ε ς, οι κατασκευαστές παρέχουν τον δείκτη NOCT (πomiπal operatiπg cell temperature, δηλαδή ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας κελιού). Η NOCT είναι η θερμοκρασία του κελιού σε ένα πλαίσιο όταν η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι 20 c, η ηλιακή ακτινοβολία είναι 0,8 kw/m 2, και η ταχύτητα του ανέμου 1 m/s. Για υπολογισμό σε άλλες συνθήκες μπορεί να χρησιμοποιηθεί η σχέση: Τ = Τ +(NOCT - 20 Js κcλ ιο υ περ ιβαλλοvrος Ο, Β όπου Τ οι θερμοκρασίες κελιού και π ε ριβάλλοντος αντίστοιχα σε C και S η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας σε kw/m 2 ΔΡΑΓΑΝΗ Σ ΝΙ ΚΟΛΑΟ Σ 24
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» 2.6 ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ Ο Βαθμός Απόδοσης ενός ηλιακού κυπάρου δίνεται από τη σχέση: όπου Pin η ολική ακτινοβολία που προσπίπτει στο κύπαρο. Ο Βαθμός απόδοσης των ηλιακών κυπάρων του εμπορίου δεν ξεπερνά το 18% ενώ σε πειραματικά μοντέλα έχουν επιτευχτεί μεγαλύτερες τιμές. Οι παράγοντες που ευθύνονται για την χαμηλή απόδοση των ηλιακών κυπάρων είναι οι εξής: α) Ανάκλαση /3) Σκίαση από τις επαφές Υ) Ατελής εκμετάλλευση της ενέργειας των φωτονίων: δ) Αντίσταση ε) Θερμοκρασία 2.7 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ Το κάθε ηλιακό κελί παράγει τάση της τάξης του 0,5 V, συνεπώς είναι ελάχιστες οι εφαρμογές που μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο του. Αντί για αυτό, η δομική μονάδα των φωτοβολταϊκών διατάξεων είναι το φωτοβολταϊκό πλαίσιο που αποτελείται από ένα αριθμό προκαλωδιωμένων ηλιακών κελιών σε σειρά, πακεταρισμένων σε ανθεκτικά περιβλήματα. Ένα τυπικό πλαίσιο έχει 36 κελιά σε σειρά και συχνά ονομάζεται πλαίσιο των 12 V, αν και συχνά έχει την ικανότητα να παράγει αρκετά μεγαλύτερες τάσεις. Λόγω των απαιτούμενων υλικών και εργασιών για την κατασκευή του, το κόστος των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι σημαντικά μεγαλύτερο από το κόστος των ηλιακών στοιχείων που περιέχουν. Τυπικές τιμές ισχύος εξόδου για ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο είναι 10-250 Wpeak. Πολλά πλαίσια μπορούν να συνδυαστούν σε σειρά για να αυξηθεί η τάση, αλλά και παράλληλα έτσι ώστε να αυξηθεί το παραγόμενο ρεύμα, το γινόμενο των οποίων είναι η ισχύς. Τέτοιοι συνδυασμοί ονομάζονται φωτοβολταϊκές συστοιχίες. Πολλές φωτοβολταϊκές συστοιχίες αποτελούν μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 25
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» πλαίσιο συστοιχία 0:0:0 ~ - 1 -- - - - - - - - JJ ν ν ν ν Ί. ; ----------:b Ι = 1 1 ν ν Σχήμα 2.7.1: I-V χαρακτηριστική φωτοβολταϊκού πλαισίου με στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά και παράλληλα. Η μέγιστη τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού πλαισίου προσδιορίζεται από τον αριθμό συγκεκριμένων ηλιακών στοιχείων που συνδέονται σε σειρά και το μέγιστο ρεύμα στην έξοδο (για κανονικά επίπεδα ηλιοφάνειας) προσδιορίζεται από τον αριθμό των στοιχείων (ή ομάδα εν σειρά στοιχείων) που συνδέονται παράλληλα. Η χαρακτηριστική I -V καμπύλη ενός συνόλου ίδιων ηλιακών στοιχείων συνδεδεμένων σε σειρά ή/και παράλληλα, προκύπτει με αντίστοιχο συνδυασμό των χαρακτηριστικών των επιμέρους στοιχείων όπως φαίνεται στο σχήμα 2.7.1. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 26
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» 2.8 ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ Ο συντελεστής απόδοσης ενός φ/β πλαισίου (ηπ), ορίζεται με παρόμοιο τρόπο με αυτόν του ηλιακού κυπάρου. Εκφράζει το λόγο της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος (Pp) την οποία παράγει το φ/β πλαίσιο, προς την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας την οποία δέχεται στην επιφάνεια του (5). Την ίδια τιμή θα έχει και ο λόγος της μέγιστης ηλεκτρικής ενέργειας Ε που παράγει το φωτοβολταϊκό πλαίσιο επί ένα ορισμένο χρονικό διάστημα προς τη ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται επί το ίδιο χρονικό διάστημα: η π Ρ Ρ (w) E(kWh) = H(W / m 2 ) s(m 2 ) = π(kwh/m 2 ) s(m 2 ) Όπου Π: η Πυκνότητα της ηλιακής ενέργειας που πέφτει στην επιφάνεια του πλαισίου. > Η επίδραση της θερμοκρασίας και της ρύπανσης στην απόδοση Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, η απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων επηρεάζεται σημαντικά από την θερμοκρασία. Όμως, ο συντελεστής απόδοσης που δίνεται για τα ηλιακά στοιχεία ή για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια αντιστοιχεί σε μια συμβατική θερμοκρασία (συνήθως 20 C), που στην ουσία διαφέρει αξιόλογα από την πραγματική θερμοκρασία του στοιχείου, ιδιαίτερα κατά τους θερινούς μήνες. Έχει μετρηθεί ότι λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχονται, αλλά και λόγω των ηλεκτρικών απωλειών που πραγματοποιούνται πάνω τους, τα ηλιακά στοιχεία αποκτούν κατά την λειτουργία τους θερμοκρασία μεγαλύτερη από την θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος κατά 25-30 C, ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Ως μέσο όρο, στους υπολογισμούς μας, παίρνουμε συνήθως αύξηση της θερμοκρασίας κατά 30 C. Για την διόρθωση του παραπάνω σφάλματος χρησιμοποιείται ένας αδιάστατος συντελεστής σ8, με τον οποίο πολλαπλασιάζουμε τον συντελεστή απόδοσης των ηλιακών στοιχείων (ηπ). Το ίδιο εφαρμόζουμε και για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Δηλαδή, για θερμοκρασίες διαφορετικές από την συμβατική, ως συντελεστή απόδοσης (ηθ) των φωτοβολταϊκών πλαισίων παίρνουμε το γινόμενο: ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 27
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Στην συμβατική θερμοκρασία, ο συντελεστής διόρθωσης σ 8 είναι ίσος με την μονάδα. Όμως, για κάθε βαθμό αύξησης της θερμοκρασίας ο σe μειώνεται κατά 0.005 για τα συνηθισμένα φωτοβολταϊκά ηλιακά στοιχεία πυριτίου του εμπορίου. Ο συντελεστής θερμοκρασιακής διόρθωσης της απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου μπορεί, επίσης, να βρεθεί και από το διάγραμμα του Σχήματος 2.8.1: ι=n ο D. χ ;::.,., χ l;oj 1 Σχήμα 2.8.1: Καμπύλη μεταβολής της απόδοσης του φ/β στοιχείου σε σχέση με τη θερμοκρασία Ένας άλλος παράγοντας που μπορεί να μειώσει την ηλεκτροπαραγωγή των φωτοβολταϊκών πλαισίων, ιδίως όταν έχουν μικρή κλίση, είναι η ρύπανση της επιφάνειάς τους από την επικάθηση σκόνης, φύλλων, χιονιού, αλατιού από την θάλασσα, εντόμων και άλλων ακαθαρσιών. Η μείωση είναι σημαντικότερη σε αστικές και βιομηχανικές περιοχές λόγω της αιθάλης που αιωρείται στην ατμόσφαιρα και προσκολλάται ισχυρά στην γυάλινη ή πλαστική επιφάνεια των φωτοβολταϊκών πλαισίων, χωρίς να μπορεί η βροχή να τα ξεπλύνει αρκετά. Στις περιπτώσεις αυτές χρειάζεται να γίνεται περιοδικός καθαρισμός της επιφάνειας των φωτοβολταϊκών πλαισίων με απορρυπαντικό. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 28
[ τ ΓΙ Ε 1 ΑΙΑ «ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Όταν η φωτοβολταϊκή γεννήτρια βρίσκεται σε μια περιοχή όπου εκτιμάμε ότι ο βαθμός ρύπανσης είναι σημαντικός, είναι σκόπιμο να προβλέπεται στους υπολογισμούς μας η αντίστοιχη μείωση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, με την χρησιμοποίηση ενός αδιάστατου συντελεστή καθαρότητας (σρ), 0 οποίος ορίζεται ως ο λόγος της ηλεκτρικής ισχύος που παράγει το ρυπασμένο φωτοβολταϊκό πλαίσιο προς την ηλεκτρική ισχύ που παράγει όταν η επιφάνειά του είναι εντελώς καθαρή. Η τιμή του σρ είναι τόσο μικρότερη από την μονάδα, όσο εντονότερη είναι η ρύπανση του περιβάλλοντος, όσο μικρότερη είναι η κλίση του φωτοβολταϊκού πλαισίου, όσο σπανιότερες είναι οι βροχές στην περιοχή κλπ. Έτσι, όταν κρίνεται απαραίτητο, ως συντελεστή απόδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων για τους υπολογισμούς μας, παίρνουμε το γινόμενο του ενδεικτικού συντελεστή απόδοσης ηπ, που δίνεται για συμβατική θερμοκρασία και καθαρή επιφάνεια, επί τους συντελεστές διόρθωσης για την θερμοκρασία σ e και την ρύπανση σρ. Τελικά, προκύπτει: Σε περίπτωση που γνωρίζουμε την ισχύ αιχμής Pa για τον υπολογισμό της μέσης ημερήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας του φ/β πλαισίου χρησιμοποιούμε τη σχέση: ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 29
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» 2.9 Η ΗΛΙΑΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΗΜΕΡΑ Τα είδη φ/β στοιχείων τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στο εμπόριο είναι τα ακόλουθα:./ Μονοκρυσταλλικού πυριτίου./ Πολυκρυσταλλικού πυριτίου./ Λεπτού υμενίου (Thin-film)./ Υβριδικά (ΗΙΤ) 1. Μονοκρυσταλλικό Πυρίτιο: Το πάχος τους είναι γύρω στα 0.3mm. Η απόδοση τους στην βιομηχανία κυμαίνεται μεταξύ του 15% - 18% για το εκάστοτε πλαίσιο. Στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί ακόμα μεγαλύτερες αποδόσεις έως και 24,7%. Τα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία χαρακτηρίζονται από το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέσης απόδοσης/επιφάνειας. Ένα άλλο χαρακτηριστικό τους είναι το υψηλό κόστος κατασκευής εν συγκρίσει με τα πολυκρυσταλλικά. 2. Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο: Η μέθοδος παραγωγής τους είναι φθηνότερη από αυτήν των μονοκρυσταλλικών για αυτό και η τιμή τους είναι συνήθως λίγο χαμηλότερη. Οπτικά μπορεί κανείς να παρατηρήσει τις επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές. Όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση αυτές οι περιοχές τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση για τα πολυκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά κελιά. Σε εργαστηριακές εφαρμογές έχουν επιτευχθεί αποδόσεις έως και 20% ενώ αντίστοιχα στο εμπόριο τα πολυκρυσταλλικά στοιχεία διατίθενται με αποδόσεις από 13% έως και 15% για το εκάστοτε φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Οι βασικότερες τεχνολογίες παραγωγής είναι : η μέθοδος απ' ευθείας στερεοποίησης DS, η ανάπτυξη λιωμένου πυριτίου ("χύτευση") και η ηλ ε κτρομαγνητική χύτευση EMC. ΔΡΑΓΑΝΗ Σ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 30
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» 3. Στοιχεία Λεπτού Υμενίου Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί πολύ λεπτά στρώματα (πάχος λίγων μικρών) του ημιαγωγού ούτως ώστε να μειώνεται το κόστος. Τα πιο γνωστά υλικά αυτής της κατηγορίας είναι τα κάτωθι: Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός (CIS): Ο Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός έχει εξαιρετική απορροφητικότητα στο προσπίπτων φως αλλά παρόλα αυτά η απόδοση του με τις σύγχρονες τεχνικές δεν υπερβαίνει το 11 %, για κάθε πλαίσιο. Εργαστηριακά έγινε εφικτή απόδοση στο επίπεδο του 18,8%, η οποία είναι η μεγαλύτερη που έχει επιτευχθεί μεταξύ των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών λεπτής επιστρώσεως. Με την πρόσμιξη γαλλίου η απόδοση του μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο CIGS. Το πρόβλημα το οποίο προκύπτει είναι ότι το ίνδιο υπάρχει σε περιορισμένες ποσότητες στη φύση. 3.1 Άμορφο πυρίτιο (a-si): Ο χαρακτηρισμός άμορφο φωτοβολταϊκό προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Η απόδοση κυμαίνεται για το πλαίσιο από 6% έως και 8% ενώ στο εργαστήριο έχουν επιτευχθεί αποδόσεις ακόμα και 14%. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα για το φωτοβολταϊκό στοιχείο a Si είναι το γεγονός ότι δεν επηρεάζεται πολύ από τις υψηλές θερμοκρασίες. ΔΡΑΓΑΝΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 31
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» Επίσης, πλεονεκτεί στην αξιοποίηση της απόδοσης του σε σχέση με τα κρυσταλλικά φ/β, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία (συννεφιά). Το μειονέκτημα των άμορφων πλαισίων είναι η χαμηλή τους ενεργειακή πυκνότητα κάτι το οποίο σημαίνει ότι, για να παράγουμε την ίδια ενέργεια, χρειαζόμαστε σχεδόν διπλάσια επιφάνεια σε σχέση με τα κρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία. Το πάχος του πυριτίου είναι περίπου O,OOOlmm ενώ το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1 έως 3mm. 3.2 Τελοριούχο κάδμιο (CdTe): Το τελοριούχο κάδμιο έχει ενεργειακό διάκενο γύρω στο lev το οποίο είναι πολύ κοντά στο ηλιακό φάσμα κάτι το οποίο του δίνει σοβαρά πλεονεκτήματα όπως την δυνατότητα να απορροφά το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Οι σύγχρονες τεχνικές όμως μας προσφέρουν αποδόσεις πλαισίου γύρω στο 6-8%. Τροχοπέδη για την χρήση του αποτελεί το γεγονός ότι, το κάδμιο σύμφωνα με κάποιες έρευνες είναι καρκινογόνο με αποτέλεσμα να προβληματίζει το ενδεχόμενο της εκτεταμένης χρήσης του. Επίσης προβληματίζει η έλλειψη τελλουρίου. ΔΡΑΓΑΝΗ Σ ΝΙΚΟΛΑΟ Σ 32
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» 3.3 Αρσενικούχο Γάλλιο (GaAs): Το γάλλιο είναι ένα παραπροϊόν της ρευστοποίησης άλλων μετάλλων όπως το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος. Είναι πιο σπάνιο ακόμα και από το χρυσό. Το αρσένιο δ ε ν ε ίναι σπάνιο αλλά έχει το μ ε ιον έ κτημα ότι ε ίναι δηλητηριώδες. Το αρσενικούχο γάλλιο έχει ενεργειακό διάκενο 1,43 ev το οποίο είναι ιδανικό για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόδοση του στη μορφή πολλαπλών συνενώσεων είναι η υψηλότερη η οποία έχει επιτε υχθεί και αγγίζει το 29%. Επίσης τα φωτοβολταϊκά στοιχεία GaAs είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες γεγονός το οποίο, ε πιβάλλ ε ι σχ ε δόν τη χρήση τ ους. ΔΡΑΓΑΝΗ Σ ΝΙΚΟΛΑΟΣ 33
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕ Χ ΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ» 4. Υβριδικά στοιχεία Ένα υβριδικό φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελείται από στρώσεις υλικών διαφόρων τεχνολογιών. Τα πιο γνωστά εμπορικά υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχ ε ία αποτελούνται από δύο στρώσεις άμορφου πυριτίου (πάνω και κάτω) ενώ ε νδιάμ ε σα υπάρχ ε ι μια στρώση μονοκρυσταλλι κ ού πυριτίου. Το μ εγάλο πλ ε ονέκτημα αυτής της τεχνολογίας ε ίναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης του πλαισίου, ο οποίος φτάνει σε εμπορικές εφαρμογές στο 17,2%, κατά συνέπεια χρειαζόμαστε μικρότερη επιφάνεια για να έχουμε την ίδια εγκατεστημένη ισχύ. Αλλά πλεονεκτήματα για τα υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία είνα ι η εξαιρετική τους απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά και η μεγάλη τους απόδοση στην διαχ ε όμ ενη ακτινοβολία. Το υβριδικό φωτοβολταϊκό πλαίσιο είναι κάπως α κ ριβότερο σε σχέση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά πλαίσια. C ;;,111 su "' ac a 1 :Jitl1 ι υτι a 1 ~/oct ve aι ι θ a ι Rear-!::.id,. eθct ΠJde Τ ι ί n ιτιο ηn c ιy.stale i ne.5 ί l ico n \ ιa fe r i-type/n-type :uιtra-1hίnarιnorpho u G ~ l b::ι n laγe r) Η ΙΤ solar cell Στο κάτωθι σχήμα παρουσιάζεται ένας πίνακας ο οποίος συνοψίζει τα σημαντικότερα χαρακτηριστι κ ά, των ανωτέρω φωτοβολταϊκών τεχνολογιών : ΔΡΑΓΑΝΗ Σ ΝΙ Κ ΟΛΑΟ Σ 34
«ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟ Σ» Γ-- -------------------------------- --------- --- --- ------ ---- -- ----------------- -- - - -- Συγκριτικός πίνακας φωτοβολταϊκών τεχνολογιών (εξοnλισμόc; nου κυκλοφοpεί στην αγοpά στιc; apxέc; 2008) τυποσ Ε μ φάνισι 1 a-si: 4,2-6,6% Απόδοσι 1 μ - S ί: 8,1-8,5% CIS-CIGS: 6-11% Cdτe: 6-11,1% 11-14,8% :~... 11-19,3% Αποιτούμ ε νι 1 ε π ιφά ν ε ια ον iι kwp Μέσι1 ετ ιiσιο πορογωγ ιi ενέργ ε ι ας (kwt1 ονά kwp) (μίση τψ ή γ ια Ελλόlίο!<"Ο ι γ ια ίνσ τυ rι ι ό aύ στημ α μι vano nροοσνατολ ι ο;.ιό ίc ι.ατάλληλη.\ί ση ) Μέσι1 ετιiσ ι <ι πορ ο γωγ ιi 1 εν έ ργ ε ι <ις (kwl1 ον ίι ι 11 2 ) ( μέση τ ι μ ή γ ι α Ελλόlίο!<"Ο ι για έοiο run ι ό σύστημα 9-25 m 2 7-9 m 2 1.300-1.450 1.300 50-160 5,5-9 m 2 - J 1.300 145-235 μ ι νano n pοαανστολ ι ιr,jό ιιο ι ατδλ.\ηλ η κ.\ί<111) ;...----...-...--;.--------:,;;;;;;;:;;;;;:;;;;;:;;;;;:;;:;;;:=-- Ετιίσι<ι μ ε ί ω σ ι ι ε κ π ομπ ώ ν δ ι οξ ε ι δ ί ου του ι'ι νθροκ<ι (kg C0 2 ονό kwp) 1.300 1.300 Το φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από διάφορα στρώματα, τα οποία είναι: v' v' v' v' v' v' v' v' Ειδικό γυαλί Συμπυκνωμένο υλικό (Ethyleπe Vinyl Acetate (EVA) Sheet) για την ενθυλάκωση των κυψελών Ηλιακές κυψέλες Συμπυκνωμένο υλικό (EVA) Ειδικό γυαλί Κενό αέρος Ειδικό γυαλί Οι ηλιακ έ ς κυψέλες περικλείονται συνήθως από δυο κομμάτια γυαλιού ή ένα φύλλο γυαλιού και ένα πλαστικού, ενώ μερικές φορές εξ ολοκλήρου από πλαστικό. Τα είδη των γυαλιών που χρησιμοποιούνται είναι διαφανή, χρωματισμένα και αντανακλούν την θερμότητα. ΔΡΑΓΑΝΗ Σ ΝΙΚΟΛΑΟ Σ 35